Septiembre 2013 - unam campus juriquilla

Septiembre 2013 - unam campus juriquilla

Contenido
Foto aérea de la UNAM Campus Juriquilla
tomada en agosto de 2013
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8
Estructuras cristalinas en el nopal
CFATA - Centro de Física Aplicada y Tecnología Avanzada
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12
Metales, minería y medio ambiente
UNAM
CGEO - Centro de Geociencias
RECTOR
Dr. José Narro Robles
SECRETARIO GENERAL
Dr. Eduardo Bárzana García
pag.
14
SECRETARIO ADMINISTRATIVO
Ing. Leopoldo Silva Gutiérrez
¿Cuántos pasos da una proteína
motora antes de detenerse?
SECRETARIO DE DESARROLLO
INSTITUCIONAL
Dr. Francisco José Trigo Tavera
UMDI-FC-J - Unidad Multidisciplinaria de Docencia e Investigación de la
Facultad de Ciencias Juriquilla
SECRETARIO DE SERVICIOS A LA
COMUNIDAD
Enrique Balp Díaz
pag.
COORDINADOR DE LA
INVESTIGACIÓN CIENTÍFICA
Dr. Carlos Arámburo de la Hoz
DIRECTOR GENERAL DE COMUNICACIÓN
SOCIAL
Renato Dávalos López
Campus Juriquilla
CONSEJO DE DIRECCIÓN
Dr. Raúl Gerardo Paredes Guerrero
Dr. Gerardo Carrasco Núñez
Dr. Ramiro Pérez Campos
Dr. Germán Buitrón Méndez
Dr. Juan B. Morales Malacara
Dr. Saúl Santillán Gutiérrez
Dr. Luis Montejano Peimbert
COORDINADOR DE SERVICIOS
ADMINISTRATIVOS
Alejandro Mondragón Téllez
JEFE UNIDAD DE VINCULACIÓN
Juan Villagrán López
CONSEJO EDITORIAL
Rosa Elena López Escalera
Carlos M. Valverde Rodríguez
Juan Martín Gómez González
Iván Moreno Andrade
Enrique A. Cantoral Uriza
Juan Villagrán López
DISEÑO Y FORMACIÓN
I.S.C. Oscar L. Ruiz Hernández
GACETA UNAM JURIQUILLA
Publicación trimestral editada
por la Unidad de Vinculación, Difusión
y Divulgación Universitaria perteneciente a la
Coordinación de Servicios Administrativos.
Boulevard Juriquilla No. 3001,
Juriquilla, Qro.
MÉXICO, C.P. 76230
Certificado de reserva de derechos al
uso exclusivo de título
No. 04 - 2013 - 041714461800 - 109
Impresión: Hear Industria Gráfica, Calle 1 No.
101, Zona Industrial Benito Juárez. C.P. 76120.
Tiraje: 2000 ejemplares
TELÉFONOS VINCULACIÓN
(442) 192 61 31, 32 y 35
CORREO ELECTRÓNICO
[email protected]
16
Optimización de procesos de
producción de bioenergía
ABOGADO GENERAL
Lic. Luis Raúl González Pérez
UAJ-II - Unidad Académica Juriquilla del Instituto de Ingeniería
pag.
4
pag.
18
Instituto de Neurobiología
20 años
Delicias y amargores de la resonancia
funcional
INB - Instituto de Neurobilogía
INB - Instituto de Neurobilogía
Índice de autores
UAJ-II
INB 20 años
CGEO
Ixbalank Torres
Carmen Aceves Velasco
[email protected]
Alejandro Carrillo Chávez
[email protected]
Ixbalank
Torres
es
investigador
posdoctorante del grupo de Teoría de
Sistemas en la UAJ-II. Sus principales
áreas de interés incluyen: modelización,
optimización y control de procesos de
tratamiento biológico de aguas residuales
y producción de bioenergía, sistemas
de adquisición de datos y control
supervisorio, sistemas embebidos, redes
de comunicaciones de datos y tecnologías
de la información.
Carmen Aceves es licenciada en Biología
por Facultad de Ciencias de la UNAM.
Obtuvo su maestría y doctorado en Ciencias
Fisiológicas en el programa UACPyP,
UNAM en el Instituto de Investigaciones
Biomédicas. Realizó su estancia posdoctoral
en el Darmouth Collage NH, USA. Su línea
de investigación está centrada en el campo
de la endocrinología, particularmente en
relación a la participación de compuestos
yodados en el desarrollo y diferenciación
de las glándulas mamaria y prostática tanto
normales como tumorales.
Alejandro Carrillo es Ingeniero Geólogo
con Maestría en Geología. Realizó su
Doctorado en Geología en la Universidad
de Wyoming, EUA. Es Investigador
Titular “B” del CGEO. Es autor o coautor
de más de 34 artículos académicos, 90
presentaciones en congresos nacionales
e internacionales, 12 capítulos en libros,
1 libro. Es responsable de mas de 10
proyectos académicos y con la industria.
UMDI FC-J
Iván Santamaría Holek
[email protected]
Iván Santamaría-Holek, es Físico y Maestro
por la UNAM y Doctor por la Universidad
de Barcelona, España. Es Profesor Titular B
de tiempo completo e Investigador Nacional
nivel 2. Sus líneas de investigación son la
termodinámica, el transporte de materia
blanda y la mecánica estadística de no
equilibrio.
[email protected]
INB
CFATA
Margarita Contreras Padilla
Luis Concha
[email protected]
[email protected]
Margarita Contreras es Doctora en Ingeniería
(biosistemas) en estancia posdoctoral en el
CFATA. Sus líneas de investigación están
relacionadas con el estudio de propiedades
fisicoquímicas y funcionales de materiales
biológicos en especial de alimentos.
Médico por la Universidad Autónoma de
San Luis Potosí, obtuvo su doctorado en
Ingeniería Biomédica en la Universidad de
Alberta, (Canadá), y realizo una estancia
posdoctoral en el Instituto Neurológico
de Montreal. Actualmente estudia la
conectividad anatómica y funcional del
cerebro sano para identificar patrones
anormales en pacientes con desórdenes
neurológicos.
No. 25 Julio - Septiembre 2013
EDITORIAL
EDITORIAL
Sentir, que es un soplo la vida ...
Consejo Editorial
Este año es de celebración en la UNAM
Campus Juriquilla; el hermano mayor, el
Instituto de Neurobiología (INB), cumple 20
años de haberse establecido en Querétaro.
Se trata de un centro de investigación
que se ha abocado al estudio científico
del sistema nervioso bajo una perspectiva
multi- e inter-disciplinaria; es decir, en él
se conjuntan la química, la informática, la
ingeniería, la lingüística, las matemáticas
y la medicina, incluso la filosofía, la física
y la psicología. Como consecuencia de
esto, su campo de acción se ha ampliado
considerablemente y ello le ha llevado a
explotar diferentes métodos de investigación
para obtener modelos que permitan
responder preguntas relativas a aspectos
moleculares, celulares, ontogenéticos, de
estructura / función, evolutivos y médicos
del sistema nervioso. La fecunda labor
que desarrollan los colegas del INB en
las 3 áreas fundamentales de la UNAM:
investigación, docencia y extensión de la
cultura es un claro mentís a los irreflexivos
cuestionamientos sobre la contribución de
la investigación al desarrollo de México.
Las contribuciones del INB en estos rubros
han sido particularmente importantes para
la zona centro del país convirtiéndolo en
un verdadero polo de desarrollo en la
región. Al respecto es pertinente destacar
que, además de su reconocimiento
académico nacional e internacional, el
INB es considerado por los estudiantes
de posgrado como una plataforma de
desarrollo académico y personal que les
permitirá, a la postre, retribuir a la sociedad
algo de lo que ella ha invertido. Es notable
que el monto destinado a las universidades
públicas es significativamente menor que el
asignado a mantener una clase política, de
la que podemos cuestionar su preocupación
por velar por los intereses y cuidados de la
sociedad.
Finalmente, pero no por ello menos
importante, debe destacarse que una buena
parte de la investigación del INB ha tenido
repercusiones eminentemente sociales en la
región centro-norte de México. Por ello, la
contribución tan importante que ha tenido el
INB es incuestionable.
De esta forma, la celebración de los 20 años
de su existencia, es algo de lo que muchos
centros de investigación y universidades del
país nos congratulamos, ya que el INB es
el ejemplo de la investigación y contribución
que si podemos tener en México y que
podemos tomar como parámetro de lo que
debe ser un polo de desarrollo.
Panorámica del Campus; Ca 2007 - 2008
www.campusjuriquilla.unam.mx
3
Instituto de Neurobiología
20 años
Carmen Aceves Velasco, Raúl Paredes Guerrero
Hacia el otoño de 1987, en el seno del
Departamento de Fisiología del Instituto
de Investigaciones Biomédicas (IIBM),
se gestó la idea de crear un Centro de
Investigación orientado al estudio de la
estructura y función del sistema nervioso
desde una perspectiva interdisciplinaria e
integral. El proyecto, liderado por Flavio M.
Mena Jara, cristalizó la madrugada del 25
de septiembre de 1993 cuando, en sesión
ordinaria, el Consejo Universitario aprobó
por unanimidad la creación de lo que sería
el Centro de Neurobiología de la UNAM
con sede en la ciudad de Querétaro, Qro.
Han transcurrido 20 años y el Centro,
ahora Instituto de Neurobiología (INB),
aprovecha el aniversario para evaluar
sucintamente lo caminado y con ello trazar
nuevos derroteros. Sin embargo, antes de
este recuento y prospectiva, es oportuno
destacar un hecho singular: desde sus
inicios ninguno de los protagonistas
4
imaginaba que al proyecto original, más
bien modesto, se articularían una serie
de eventos –muchos de ellos fortuitos- y
de voluntades –todas ellas visionariasque se materializaron en la creación del
Campus Universitario que actualmente
comparten la UNAM y la UAQ en
Juriquilla. Se trata del Campus foráneo
más grande de la UNAM en el cual se
asientan 10 dependencias de enseñanza
e investigación (6 de la UNAM y 4 de
la UAQ), así como un Centro Académico
Cultural que ofrece semanalmente eventos
científicos, de difusión y de divulgación
de la ciencia y la cultura, con excelente
calidad. La población del Campus UNAM
suma ya cerca de mil entre investigadores,
profesores, técnicos, estudiantes, personal
administrativo y de base.
El INB está conformado por tres
departamentos: Neurobiología Celular y
Molecular; Neurobiología del Desarrollo y
Neurofisiología y Neurobiología Conductual
y Cognitiva. En ellos se realiza investigación
multidisciplinaria en las neurociencias a lo
largo de tres ejes fundamentales, a saber:
una aproximación multinivel, que recorre los
aspectos moleculares y celulares, pasando
por los tejidos, órganos y sistemas, hasta
el de las propiedades emergentes de la
actividad nerviosa, como las conductas
y la cognición; dichos aspectos además,
se estudian desde la etapa embrionaria
hasta la madurez y la senescencia de los
organismos. Asimismo, se consideran las
diversas influencias, tanto genéticas como
epigenéticas, y sus consecuencias tanto en
el nivel fisiológico como patológico. Además,
es importante recalcar que para su estudio,
los investigadores del INB utilizan modelos
biológicos que van desde el cultivo celular,
rebanadas de tejido, moscas, moluscos
y toda la variedad de vertebrados; peces,
anfibios, reptiles, aves y mamíferos.
No. 25 Julio - Septiembre 2013
El personal académico del INB lo forman
51 investigadores, 8 posdoctorados y 46
técnicos académicos. El 75% tienen el
reconocimiento de los niveles C y D dentro
del Programa de Primas al Desempeño
del Personal Académico (PRIDE) y
prácticamente todos los investigadores, y
varios técnicos académicos, son miembros
del Sistema Nacional de Investigadores
(SNI). Esta distinción, junto con el resto de
las dependencias del Campus Juriquilla,
coloca a este campus foráneo en el
segundo lugar de miembros del SNI de la
región y ubica al estado de Querétaro en el
lugar número 6 del país.
Además de haber generado más de 600
publicaciones científicas de alta calidad,
el INB incide también en la divulgación
de conocimiento de vanguardia mediante
la elaboración de capítulos de libro, así
como la publicación de libros tanto de
corte especializado como de divulgación
científica
(1.6
publicaciones
por
investigador por año en los últimos 5
años). La calidad e importancia del trabajo
científico del INB han sido reconocidas
por el otorgamiento de varios premios
nacionales e internacionales entre los que
destacan: Universidad Nacional; Distinción
Universidad Nacional para Jóvenes
Académicos; Nacional de Ciencias y Artes;
Investigación Médica “Dr. Rosenkranz”
Syntex; CANIFARMA; FUNSALUD José
Santos en Oftalmología; Alejandrina a la
Investigación y Creación Artística (UAQ);
Figura 1. Número de alumnos graduados de Licenciatura, Maestría o Doctorado en los diferentes quinquenios por investigadores
y técnicos académicos del INB.
Figura 2. El INB ha recibido alumnos de prácticamente todo el país y del extranjero.
www.inb.unam.mx
el Ciudad Capital Heberto Castillo Martínez
y La Neurona de Plata otorgada por el
Instituto Cajal.
Acorde a las tareas sustantivas de la
UNAM, y desde su llegada a Querétaro, el
INB participa activamente en la formación
de recursos humanos. Es sede de tres
programas de posgrado; la Maestría en
Ciencias (Neurobiología) y los doctorados de
Psicología y de Ciencias Biomédicas, todos
ellos competentes a nivel internacional.
Además, recibimos continuamente a
jóvenes de diferentes partes del país que
realizan: veranos de la ciencia, prácticas
profesionales, servicio social, y tesis de
licenciatura de programas de pregrado
de diversas áreas vinculadas a las
neurociencias. Como se observa en la figura
1, en el INB se han graduado alrededor de
600 estudiantes de licenciatura y posgrado.
Es importante mencionar que, cumpliendo
con el plan de desarrollo de la UNAM, el INB
se ha convertido en un polo de atracción
fomentando la movilidad estudiantil tanto
nacional como internacional (figura 2).
Una mención especial es la importante
participación del INB en el programa
internacional “Semana del Cerebro” que
tiene el objetivo de acercar a niños y
jóvenes (primaria-bachillerato), de manera
accesible y divertida, a la investigación en
el área de las neurociencias. Este programa
es anual y en su versión 9, realizada en el
2013, el Instituto recibió un poco más de
5,000 visitantes.
El INB mantiene una vinculación muy
activa con instituciones del sector Salud
y Educativo; en particular ha establecido
convenios con la Fundación “Gonzalo Río
Arronte”; la Secretaría de Salud del Estado
de Querétaro; el Instituto de Seguridad y
Servicios Sociales de los Trabajadores del
Estado; el Hospital de la Santa Cruz; el
Consejo de Ciencia y Tecnología del Estado
de Querétaro; el Centro para la Rehabilitación
Integral de Minusválidos del Aparato
Locomotor; el Hospital del Niño y la Mujer;
la Universidad Autónoma de Querétaro; los
Institutos Tecnológicos de Querétaro, entre
5
otros. En este rubro destaca la importancia
de las Unidades de Investigación en
Neurodesarrollo “Dr. Augusto Fernández
Guardiola”, de Resonancia Magnética
Funcional, así como la de Biomecánica.
La
Unidad
de
Investigación
en
Neurodesarrollo se creó en 2005 con el
objetivo de detectar y tratar, de manera
temprana, el daño cerebral en recién
nacidos ocasionado por factores de riesgo
perinatales. La Unidad, única en su género
en nuestro país, ha obtenido reconocimiento
nacional e internacional ya que los
tratamientos de neurohabilitación producen
una marcada mejoría en los bebés con este
tipo de problema. Proporciona, además,
una continuada labor en la formación de
profesionales de todos los niveles: técnicos
en fisioterapia, estudiantes de licenciatura,
de servicio social, especialistas médicos y
estudiantes de posgrado. A la fecha, se han
atendido más de mil niños de Querétaro
y otras regiones de la república, 430 de
los cuales se encuentran actualmente en
tratamiento.
La Unidad de Resonancia Magnética
fue creada con la finalidad de realizar
investigación de frontera en el área
de las ciencias cognitivas (memoria,
pensamiento, lenguaje, atención, toma
de decisiones, percepción, emoción,
entre otras) así como para el diagnóstico
de enfermedades neurodegenerativas o
neurológicas. La resonancia magnética es
un método de imagen de alta resolución
que no causa dolor, no es invasivo, y no
emplea radiación ionizante (Rayos X),
sino que utiliza un campo magnético que
permite explorar y obtener imágenes de
las distintas partes del cuerpo humano.
La Unidad cuenta con dos resonadores
de alta capacidad (3 Tesla), los cuales
proporcionan el mejor servicio de
diagnóstico por neuroimagen anatómica y
funcional en la región del Bajío, permitiendo
además una estrecha vinculación con el
Sector Salud y el desarrollo de líneas de
investigación de frontera en este rubro.
Desde su creación (2004) se han realizado
más de 27,000 estudios de neurodiagnóstico
a pacientes, tanto del sector público como
privado.
La Unidad de Biomecánica se diseñó para
la detección y corrección de problemas
del sistema músculo-esquelético. Inició su
funcionamiento en el segundo semestre del
2013 y cuenta con equipo especializado que
permite detectar alteraciones y mejorar el
tratamiento de los pacientes que estén bajo
neurohabilitación o rehabilitación, así como
pacientes con lesiones neurológicas. Se
hacen evaluaciones precisas y objetivas de
la postura y el movimiento de los diferentes
músculos. Por ser inalámbrico y utilizar
sensores de muy bajo peso (7.5 g), es
ideal para el estudio en niños, desde recién
nacidos hasta en edad escolar. Esta Unidad
interactuará estrechamente con las otras
dos Unidades y se realizará investigación en
los departamentos del Instituto. Igualmente
dará servicio a otras dependencias como
el Instituto de Rehabilitación de Querétaro,
el Hospital de Especialidades del Niño y
la Mujer de Querétaro y a quien lo solicite
bajo un esquema diferenciado de pago de
servicio.
El excelente desempeño en las principales
laborares de la UNAM (docencia,
investigación y vinculación social), así como
por su estratégica ubicación en el centro
del país, hacen del INB el sitio ideal para
la realización de proyectos de investigación
translacionales que permiten de una manera
natural y eficiente trasladar el conocimiento
generado a nivel básico hacia el desarrollo
de aplicaciones con impacto en los sectores
sociales del país.
A 20 años de la creación del entonces
Centro de Neurobiología los apoyos que
hemos recibido nos comprometen con la
Universidad y el país ha seguir siendo el
mejor Instituto en el estudio del sistema
nervioso central.
6
No. 25 Julio - Septiembre 2013
Y usted… ¿qué opina?
¿Qué tan naturales son los desastres
naturales?
Consejo Editorial
Cada que ocurre un desastre natural, los
daños y pérdidas causados se atribuyen
únicamente a la fuerza de estos, sin embargo
es necesario que nos preguntemos: ¿qué
tan naturales son las afectaciones que se
registran? La respuesta pareciera ser que
el desastre no es solo natural, también es
antrópico (modificaciones del territorio por
el hombre).
manifestó que él sí alertó a la población,
pero que no se imaginaba la magnitud
de lo que se venía. El problema es que
no se trata de imaginar que podría
pasar, si ya se sabe que Acapulco ha
sufrido huracanes y maremotos de gran
magnitud. En el siglo XIX un maremoto
provocó que el mar avanzara hacia tierra
firme cerca de 7 km.
Sobre los recientes desastres provocados
por los huracanes “Ingrid” y “Manuel” en
ambas costas de México, se ha mencionado
en los medios de comunicación que
antes del grito de independencia, el
Servicio Meteorológico Nacional advirtió
a las autoridades el gran riesgo que
representaban estos meteoros para el
país. El saldo fue de más de un millón
de habitantes damnificados, decenas
de muertos y desaparecidos, y pérdidas
materiales multimillonarias. Entonces cabe
la pregunta: ¿por qué las autoridades, en
sus diferentes órdenes, no tomaron en
cuenta la alerta que se les había dado? Una
de las primeras acciones es informar a la
población para que se resguarde. Llama
la atención que el alcalde de Acapulco
Si bien el peligro siempre existe, se puede
contar con modelos para la evaluación y
mitigación del mismo. Esto nos permite
abordar el tema que se ha vuelto reiterativo
en los últimos años: la importancia que
tiene la ciencia para la sociedad.
www.inb.unam.mx
Los servicios nacionales de prevención
de desastres (Protección Civil, CONAGUA,
Servicio
Meteorológico
Nacional,
etcétera) tienen la función de alertar a
los gobernantes y a la población sobre
cualquier riesgo natural inminente. Sus
recomendaciones son inobjetables porque
están basadas en estudios y en cientos
de modelos matemáticos, y la formación
de su personal les impide emitir una
recomendación sin sustento. Sin embargo,
al llegar al ámbito político las cosas cambian.
Todo indica que en este país que abusa de
la política asistencialista, lo único que vale
la pena es la destrucción, acompañada
de la “reconstrucción”, sin importar los
saqueos, abusos de autoridad, venta de
ayuda humanitaria, etcétera. La prevención,
basada en un diagnóstico confiable de los
investigadores, no se ha valorado realmente;
ésta es sólo parte de un discurso.
Cada nuevo fenómeno natural o epidemia
nos cuestiona si hemos hecho bien la
tarea. El compromiso es para todos, no
podemos cerrar los ojos y esperar que otros
“hagan su parte”. En este sentido, aún nos
falta aprender mucho como sociedad; ha
llegado el momento de madurar como tal
y de hacernos responsables. La ciencia es
determinante, ya que es objetiva y va más
allá de la política y de la negligencia de las
autoridades. Ante la alerta de riesgo no hay
nada que discutir, especialmente si nuestra
vida está en juego. Simplemente cada
quien tiene que hacer la parte que le toca y
respetar las evaluaciones de los expertos. Y
usted... ¿qué opina?
7
Estructuras cristalinas en el nopal
Margarita Contreras Padilla
El nopal es una planta que ha convivido con
el hombre desde hace más de 7,000 años.
Pertenece a la familia de las cactáceas
y su nombre científico es: Opuntia
ficus-indica. En México, para los pueblos
prehispánicos, el nopal fue tan importante
que se encuentra representado en códices,
monumentos, pinturas y cerámicas. El
nopal se ha utilizado en celebraciones
religiosas, para curar enfermedades, como
alimento, como planta de ornato; incluso
está plasmado como insignia en el escudo
nacional. Actualmente, el nopal se destina
principalmente al consumo humano, ya
sea fresco en la preparación de diferentes
platillos y ensaladas, o bien como alimento
procesado. También, se ocupa para
forraje de animales, para proteger suelos
afectados por la erosión, como sustrato
para la producción de grana de cochinilla,
así como base en la elaboración de
jabones, cremas y geles.
8
Destaca como planta medicinal debido
a que se le han descrito propiedades
hipoglucemiantes (reduce el contenido de
azúcar en la sangre), ayuda a disminuir
el colesterol y las lipoproteínas de baja
densidad; de igual forma su rico contenido
de fibra ayuda a mejorar los procesos
digestivos; también se ha utilizado en el
tratamiento contra la obesidad.
A pesar de que es una planta tan ligada
a la vida de los mexicanos, existen pocos
estudios científicos realizados acerca del
nopal no sólo en México, sino también
en el mundo. Los estudios efectuados
indican que los cladodios (pencas o tallos
modificados) son una fuente importante de
fibra, de minerales y de mucílagos, estos
componentes se consideran necesarios
para integrar una dieta saludable. Entre
los minerales encontrados en el nopal,
destacan el calcio, el magnesio y el
potasio, además de que posee un bajo
contenido de sodio, lo cual es una ventaja
para la salud humana. Debido a su alto
contenido en calcio estas plantas han
cobrado gran interés por la importancia de
este mineral en la dieta humana.
Nuestro grupo de investigación, coordinado
por el Dr. Mario E. Rodríguez García, ha
realizado diversos estudios en el Laboratorio
de Fisicoquímica de Alimentos del CFATA,
referentes al contenido de calcio presente en
el nopal y a sus beneficios en la dieta. Como
parte del estudio de estas propiedades es
necesario conocer qué proporción del calcio
en esta planta está formando compuestos
que son asimilables por nuestro organismo.
Es aquí donde se insertan las investigaciones
que estamos desarrollando durante mi
estancia posdoctoral bajo la dirección del
Dr. Eric M. Rivera Muñoz, investigador del
CFATA, sobre el estudio de los compuestos
cristalinos de calcio presentes en el nopal.
No. 25 Julio - Septiembre 2013
Nuestros resultados muestran que el
calcio se presenta en forma de diferentes
compuestos, los cuales forman estructuras
cristalinas que se han analizado en el
laboratorio de difracción de rayos-X
y también utilizando los equipos de
microscopía electrónica de barrido y
espectroscopía de infrarrojo del CFATA.
Entre
las
estructuras
cristalinas
encontradas destacan los oxalatos de
calcio monohidratado, carbonato de calcio
y bicarbonato de calcio-magnesio. Es
importante señalar que las estructuras
observadas para cada compuesto,
muestran uniformidad en tamaño y en
forma.
Los cristales de oxalato de calcio presentan
una morfología que tiene la apariencia
de una flor (figura 1), son estructuras
cristalinas grandes, comparadas con los
otros compuestos cristalinos encontrados.
Se sabe que es un compuesto que
“secuestra” al calcio, ya que nuestro
organismo no es capaz de absorberlo, sin
embargo los estudios que hemos realizado
indican que el contenido de este compuesto
en el nopal es bajo, lo cual sugiere que el
calcio presente está en compuestos que
son biodisponibles para el cuerpo humano.
estos compuestos presentan estructuras
bipiramidales conocidas como octaédricas
(figura 2) y son pequeñas comparadas
con los oxalatos antes mencionados.
Figura 2. Estructuras cristalinas de carbonato de calcio.
Obtenidas por microscopía electrónica de barrido, con una
ampliación de 10,000 X.
El bicarbonato de calcio-magnesio
mostrado en la figura 3, presenta una
estructura aplanada que tiene diferentes
planos. Este tipo de fenómeno en cristales
se conoce como exfoliación.
Nopales cosechados en los 3 estados de madurez estudiados 50,
100 y 150 días a partir de que brota la penca.
Figura 3. Estructuras cristalinas de bicarbonato de calciomagnesio obtenidas por microscopía electrónica de
barrido, con una ampliación de 5,000 X.
Figura 1. Estructura cristalina de oxalato de calcio. Obtenida
por microscopía electrónica de barrido, con una ampliación
de 900 X.
En el caso de los cristales de carbonato de
calcio, estos se encuentran ampliamente
repartidos en los tejidos del nopal. En
los tres diferentes periodos de madurez
que fueron estudiados (50, 100 y 150
días a partir de que brota la penca),
www.fata.unam.mx
Por otro lado, es importante conocer estos
compuestos cristalinos de calcio debido a
que el nopal es un vegetal ampliamente
usado para el consumo humano, por lo que
nuestro grupo de trabajo, está realizando
estudios clínicos de la biodisponibilidad del
calcio del nopal in vivo. Este es un ejemplo
de cómo se conjugan diferentes áreas del
conocimiento en un trabajo de investigación
multi- e inter- disciplinario, cuyos resultados
tendrán un impacto en diversos ámbitos,
como la ciencia básica, la ciencia e ingeniería
de materiales, la fisicoquímica de alimentos
y la industria, entre otros.
Se sabe que los compuestos carbonato
de calcio y bicarbonato de calciomagnesio son altamente biodisponibles
para nuestro organismo y que el magnesio
presente en uno de estos compuestos es
un elemento esencial para la formación
del hueso en los vertebrados. Este es el
primer trabajo que estudia e identifica
estas estructuras cristalinas en el nopal,
las cuales se forman por un proceso
conocido como biomineralización.
Campo de cultivo del nopal estudiado
Nopales usados para la investigación
9
Stéphanie Thebault
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No. 25 Julio - Septiembre 2013
www.campusjuriquilla.unam.mx
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Metales, minería y medio ambiente
Alejandro Carrillo Chávez
Desde el inicio de la civilización, el ser
humano ha utilizado los recursos naturales
del planeta para su beneficio, así, por
ejemplo, descubrió que con pedernal
(material natural de sílice) podía hacer
puntas de flechas, cuchillos, etc. Después
descubrió los metales (hierro y cobre, entre
otros) y que al fundirlos podía moldearlos
y darle la forma deseada. Las grandes
civilizaciones como los Babilonios, Asirios,
Egipcios, Griegos, y Romanos, adquirieron
gran poder, en parte, por el manejo de los
metales para uso militar y civil.
Con el tiempo, la sociedad aumentó su
avidez por los metales y otros recursos
naturales. Por ejemplo, se estima que
cada persona en el planeta utilizará en el
transcurso de su vida, unos 800 kg de
cobre, 2,800 kg de aluminio, 500 kg de
zinc, 500 kg de plomo, 20 toneladas de
hierro, 50 g de oro, 240 toneladas de
carbón, 300,000 litros de petróleo, 30
12
toneladas de cemento, mil toneladas
de piedra, cemento y arena, 300,000
metros cúbicos de gas natural y unas 30
toneladas de otros minerales y metales.
Para obtener esas cifras se divide entre
la población total de un país la cantidad
de materiales usados en infraestructura
(carreteras, puentes, edificios, calles,
alumbrado público, trasporte público,
trasporte privado, industrias, etcétera), en
un periodo de 75 años (expectativa de
vida promedio).
En los últimos 10 años, y con el
aumento exponencial de los dispositivos
electrónicos
inalámbricos
(teléfonos
celulares,
computadoras
portátiles,
tabletas, etcétera), se ha incrementado
el uso de metales no tradicionales, como
el lantano, tántalo y las tierras raras.
Estas últimas se usan actualmente en los
autos, computadoras, teléfonos celulares,
lámparas fluorescentes ahorradoras de
energía, pantallas planas de TV y monitores
de computadoras. Sin lugar a dudas,
podemos asegurar que una buena parte
de la actividad en las bolsas de valores del
mundo se basa en la oferta y la demanda
de metales, y que son ellos los que en gran
medida mueven la economía mundial.
Pero, ¿de dónde provienen los metales? La
Tierra provee todos los elementos contenidos
en la tabla periódica, sin embargo, la
distribución promedio de la mayoría de los
metales en la corteza terrestre es bastante
baja. Pese a ello, y debido a procesos
físico-químicos naturales en la misma
corteza, ocurren concentraciones anómalas
de metales enriquecidos varios órdenes
de magnitud, con respecto al promedio,
llamadas yacimientos minerales (YM). Los
YM son de muy diversos tipos y orígenes,
pero todos tienen relación con procesos
de magmatismo (magma o roca fundida
en el interior de la Tierra) y/o intemperismo
No. 25 Julio - Septiembre 2013
(procesos atmosféricos como lluvia, viento
y transporte por agua). Para gozar de los
beneficios de los metales hay que extraer
grandes volúmenes de roca, procesarla
y concentrar el metal de interés. Por
ejemplo, es necesario extraer una tonelada
de roca, molerla y procesarla con reactivos
químicos, para obtener 2 ó 3 gramos de
oro. Para la plata es de 100-200 gr/ton,
y para el cobre o plomo es del 3-5%. En
todo caso, de cada tonelada de roca se
extrae, a lo mucho, 60 u 80 kilogramos
de metales combinados (cobre, zinc, oro,
plata, etcétera) Entonces ¿qué pasa con los
940-920 kilogramos de roca que no tienen
mineral económico? A este material se le
llama “jales mineros”, su volumen ocupa
el primer lugar de todos los desechos del
ser humano y generalmente contienen
concentraciones de elementos que pueden
ser potencialmente tóxicos cuando se
liberan en el agua y/o el suelo.
Actualmente es de vital importancia
caracterizar química y mineralógicamente
los residuos mineros y los YM, a fin de
determinar el potencial de liberación de
metales u otros elementos potencialmente
tóxicos. A esta evaluación mineralógica
y química del material del YM, y de sus
materiales de desechos, se le conoce
como Evaluación Geoquímica Ambiental
(EGA) del YM. Esta es una especialidad de
la Geoquímica que estudia los procesos
químicos de materiales naturales, roca,
agua, gases y suelo. A pesar de su
juventud (unos 50 años) la EGA, es de
vital importancia y ha tenido un desarrollo
rápido en cuanto a métodos, técnicas,
experimentos, instrumentación analítica, y
aplicaciones.
En el Centro de Geociencias realizamos
investigaciones sobre la evaluación de YM
y sus materiales de desechos. Por ejemplo,
hemos estudiado zonas de Guanajuato,
Querétaro, San Luis Potosí, Baja California
Sur, Tlaxcala, e internacionalmente la Zona
de la Cordillera Blanca en Perú. Para ello
usamos métodos de campo, recolección
de material de la mina y sus desechos en
www.geociencias.unam.mx
el entorno, así como de sedimentos de
arroyos y ríos, agua de río y subterránea,
suelo y vegetación que crece sobre los
jales o cerca de ellos. Todo esto se ubica
perfectamente en mapas con ayuda de
GPS; una vez en laboratorio, el material
se ordena y prepara para sus digestiones
(puesto en solución), y/o análisis en
Difractómetro de Rayos X (mineralogía),
y/o en Microscopio Electrónico de
Barrido. También pueden usarse técnicas
especiales como la del Sincrotrón, el cual
es un tipo de acelerador de partículas
en circuito cerrado (circular) y con varias
salidas para enfocar el haz de radiación
sobre el material a analizar. Estos tipos de
análisis permiten determinar la estructura
molecular y la composición de elementos
presentes en el material en muy bajas
concentraciones.
los procesos entre minerales y bacterias se
llevan a cabo a nivel molecular e involucran
procesos como oxido-reducción, disolución,
precipitación, transformación de minerales.
Todos estos procesos se llaman reacciones
“Biogeoquímicas”, y se sabe ahora que
estas reacciones son más comunes de
lo que hace varias décadas se pensaba y
que se consideraban procesos netamente
inorgánicos.
El objetivo final de toda evaluación EGA
es caracterizar el material de la mina y
sus desechos para proponer técnicas de
contención, remoción o remediación de
metales en agua y/o suelo. El proceso de
remediación es, generalmente, muy costoso,
pero bien vale la pena para mantener un
medio ambiente limpio para nosotros
y futuras generaciones. Finalmente, la
exploración y extracción (explotación) de los
yacimientos minerales, de los elementos que
necesita la industria minera actual, debe ir
de la mano de evaluaciones de EGA a fin de
lograr una industria limpia y sustentable que
provea los elementos que necesitamos como
sociedad y de un medio ambiente limpio. La
UNAM participa en estas investigaciones en
los ámbitos nacional e internacional.
También es posible hacer experimentos
de laboratorio en columnas de lixiviación y
en celdas húmedas, ambos experimentos
permiten determinar el tipo y cantidad
de metal que se liberara del material
bajo efecto de la lluvia (agua). Asimismo
se pueden realizar extracciones de
metales del material de forma secuencial
usando diferentes reactivos
químicos para determinar
las
condiciones
físicoquímicas en que se liberan
los metales al medio
ambiente y en qué tipo de
minerales están incluidos
los metales (carbonatos,
óxidos, sulfuros, silicatos,
etcétera).
Una de las
líneas más recientes de
investigación en la EGA es
la de analizar las bacterias
presentes en los residuos
de la minería y cómo los
procesos metabólicos de
estas afectan la liberación
de los metales al medio
ambiente. A la fecha, se
sabe que las bacterias y
minerales conviven desde
el origen de la vida. Todos
Preparación de material de los jales para su posterior análisis químico.
13
¿Cuántos pasos da una proteína
motora antes de detenerse?
Iván Santamaría Holek
Las proteínas motoras, conocidas como
motores moleculares, son moléculas que
participan en el control y sincronización de
muchos procesos de transporte celular y,
por lo tanto, de diferentes rutas metabólicas
esenciales para la vida.
En una analogía un tanto vertiginosa y
atrevida, podemos imaginar la vida de una
célula como el acontecer cotidiano en el
aparentemente desorganizado mercado de
un pueblo, y a las proteínas motoras como
los inquietos y astutos comerciantes. Éstos
negocian con sus colegas y parroquianos,
quienes, ávidos de recursos y beneficios,
intercambian mercancías transportándolas
sobre sus hombros de un lado a otro del
mercado. Cada comerciante despacha
productos necesarios para los demás y va
y viene a lo largo de los pasillos, estrechos
e irregulares del mercado, esquivando
y tropezando con los marchantes y los
puestos de naranjas, pescado, carne y
14
zanahorias, ya sea comprando, vendiendo
o intercambiando productos.
La vida de una célula y su comunicación
con otras depende crucialmente del
funcionamiento de las proteínas motoras y
de los diversos cargamentos y sustancias
que transportan; gránulos, vesículas en
cúmulos o solas. Toda esta actividad y
comunicación celular controla, a la larga,
el comportamiento de los organismos y,
en caso de fallar por una u otra causa,
podrían afectar incluso la supervivencia
misma del organismo. Por lo anterior,
se han dedicado grandes esfuerzos a
estudiar tanto su morfología, estructura y
dinámica interna, como su interacción con
el medio que las rodea y su acoplamiento
con la dinámica del mismo.
Pero la analogía propuesta entre las
proteínas motoras asociadas a la estructura
interna de la célula (citoesqueleto) con los
comerciantes del mercado y sus estrechos
pasillos puede llevarse un poco más allá.
Por ejemplo, la morfología de las cinesinas,
dineínas y miosinas (tres grandes familias
de motores moleculares agrupadas por
su función) nos recuerda con apenas un
atisbo de duda a la de un animal bípedo,
como el hombre o las gallinas, con cuatro
extremidades en forma de X (figura 1). Lo
curioso del asunto es que estas proteínas,
para desplazarse a lo largo de su camino,
compuesto por moléculas que conforman
un delicado tubo (microtubo, MT) de 28
nanómetros de diámetro y a veces tan
largo como el tamaño de una célula, es
decir, alrededor de unos 40 micrómetros,
usan dos de sus extremidades que alternan
entre sí, justo como nosotros y las gallinas
hacemos para caminar. Sin embargo, al
contrario de nosotros o las gallinas, que
sólo usamos las piernas para realizar esta
operación, ellas usan sus dos cabezas,
cuestión claro está de definiciones. Estas
No. 25 Julio - Septiembre 2013
dos “cabezas” que se unen y separan del
MT alternativamente lo hacen mediante el
trifosfato de adenosina (ATP, por sus siglas
en inglés), molécula clave en biología como
la fuente de energía celular. El ATP permite
que una de las cabezas, digamos la a, se
fije adecuadamente al MT para no dar un
traspié en lo que la cabeza libre avanza,
digamos b. Luego, una vez fijada la cabeza
b, ocurre una reacción entre la molécula de
ATP y el agua circundante (hidrólisis) que
hace que la cabeza a se libere, terminando
el paso original e iniciando así un nuevo
paso. Este mecanismo, llamado “mano
sobre mano”, describe el desplazamiento
de las cinesinas, dineínas y miosinas a lo
largo de los MT’s. De este desplazamiento
se ha podido reconstruir lo que se conoce
como “el mecanismo de la reacción”
bioquímica asociada al de la cinesina.
Dicha secuencia de reacciones se ilustra
en la figura 1. De esta reacción se conocen
las constantes de velocidad, equilibrio y las
concentraciones iniciales del combustible,
ATP, y el resultado de la “combustión”,
difosfato de adenosina (ADP, por sus
siglas en inglés) y un fosfato inorgánico u
ortofosfato (Pi, por sus siglas en inglés). La
hidrólisis del ATP es pues:
ATP -> ADP + Pi + energía.
La dinámica de las proteínas motoras
ha develado aspectos fascinantes; se
sabe que por cada paso de 8 nm de
la cinesina o 36 nm de las miosinas, se
gasta exactamente una molécula de ATP.
Además, dependiendo de la concentración
de ATP en el medio, una cinesina puede
desarrollar velocidades de 500 a 1000
nm/s y si esa concentración se mantiene
constante, las cinesinas pueden caminar
sin parar, como si no se fatigaran. En
nuestra analogía, estas condiciones in vitro
equivalen a carreras como los cien metros
planos sin obstáculos en las olimpiadas.
Estas correlaciones son importantes pues
si logramos asociar el número de cinesinas
que participan en los diversos procesos
metabólicos del cuerpo y conocemos las
distancias que recorren y sus velocidades
aproximadas podemos darnos una idea del
consumo energético asociado con dichos
procesos. Esta información ayudaría a
estudiar mejor las rutas metabólicas
en tanto que permitiría establecer los
tiempos característicos asociados a
ellas y a sus subprocesos, así como los
consumos de energía correspondientes.
Pensemos por ejemplo en la secreción
de
neurotransmisores
contenidos
en vesículas por neuronas, proceso
mediado por cinesinas y miosinas; o en
la formación del sello anti-polispermia de
los ovocitos en los eventos tempranos
de la fecundación, proceso que también
involucra el transporte de enzimas
contenidas en gránulos de las regiones
internas de la célula a su exterior a través
de cinesinas.
La información anterior obtenida de
experimentos in vitro no corresponde con
las distancias recorridas y las velocidades
observadas en la realidad. Retomando la
analogía del mercado, tanto las proteínas
motoras como nosotros debemos cruzarlo
a la par que otros cientos de personas,
desplazando el pesado carrito de la
compra a lo largo de caminos estrechos,
resbalosos y sinuosos. Aunque cada paso
sea de 8 nm, por razones morfológicas
y energéticas, es de esperarse que las
proteínas motoras se detengan en su
camino. Una pregunta que ha surgido en
años recientes ha sido, precisamente: en
condiciones in vivo ¿cuántos pasos puede
dar una cinesina?
En el grupo de Biofísica y Materiales
Complejos de la UMDI Facultad de
Ciencias Juriquilla, junto con el estudiante
de maestría Jared López Alamilla y con
base en las mediciones experimentales
del mecanismo bioquímico asociado al
“andar” de las cinesinas, se desarrolló un
modelo teórico que permite reproducir el
número de pasos que esta proteína da
en condiciones in vivo: 60 a 120 pasos
por cinesina antes de detenerse, y por lo
tanto con un gasto energético equivalente
en moléculas de ATP. El modelo permitió
explicar que el ADP, producto de la
hidrólisis en el avance mismo, es el factor
determinante en la inhibición de la reacción
catalítica, ya que las cabezas de la cinesina
son multisustrato y afines tanto al ADP como
al Pi. Esta inhibición hace que la concentración
local de ATP disminuya, aumentado por
tanto la probabilidad de un evento inhibitorio
que detenga el avance (figura 2, muestra el
paisaje de energía libre asociado al avance
de la cinesina). Cuando la altura relativa
de los pasos se invierte, la cinesina se
detiene ya que el proceso no se favorece
energéticamente.
Esta
reconstrucción
teórica del paisaje energético también
permitió determinar, a partir exclusivamente
de la información bioquímica, la duración,
la distancia de reposo de las vesículas
respecto a la membrana plasmática y el
coste energético de procesos de secreción
en los que típicamente actúan y cooperan
diversos motores moleculares. Valores
estimados son: Velocidades entre 10-400
nm/s, distancias promedio recorridas de 2.4
micrómetros y costes energéticos de 300
ATP por motor molecular para procesos
con duración de entre 200 y 400 segundos,
valores que se correlacionan muy bien con
experimentos clásicos de fluorescencia en
procesos de secreción.
Figura 1: Cinesina, Modelo del mecanismo bioquímico asociado
al desplazamiento de la cinesina en el microtúbulo (rectángulos
verdes y rojos).
Figura 2: Paisajes energéticos asociados al mecanismo de
reacción del avance de la cinesina. A la izquierda se ilustra la
correspondencia entre el avance de la reacción, su energía y la
posición de las cabezas a lo largo del microtúbulo. A la derecha
el cambio del paisaje de energía libre con el número de pasos en
el caso de inhibición. Se predice teóricamente que el paso 64 es
no favorable energéticamente, y la proteína motora se detiene.
15
Optimización de procesos de
producción de bioenergía
Ixbalank Torres
La optimización matemática, programación
matemática o simplemente optimización,
es un área de las matemáticas aplicadas
que tiene como objetivo encontrar el mejor
elemento, mediante cierto criterio, a partir
de un conjunto de elementos disponibles.
En el caso más simple, un problema
de optimización consiste en maximizar
o minimizar una función evaluándola
sistemáticamente a partir de un conjunto
permitido de valores de entrada.
En nuestra vida cotidiana nos encontramos
con un sin número de problemas de
optimización que tenemos que resolver. Por
ejemplo, buscamos el camino con menos
tráfico para llegar a la escuela o al trabajo,
tratamos de hacer la mejor elección en
una compra, buscamos el mejor lugar para
ver un espectáculo, cada mes tratamos de
optimizar nuestros ingresos al minimizar el
consumo de gas, de electricidad o de agua,
pero también buscamos maximizar los días
16
para los cuales nos alcanza la despensa
que compramos a principio del mes,
votamos por el mejor candidato (o por
el menos peor) en una elección, etcétera.
Es claro que para encontrar la solución
a los problemas anteriores no usamos
matemáticas formalmente, más bien
los afrontamos de acuerdo con nuestra
intuición y experiencia.
Históricamente, el primer término para
la optimización fue la programación
lineal, formulada por George B. Dantzig,
aunque mucha de la teoría había sido
introducida por Leonid Kantorovich con
anterioridad. De hecho, Kantorovich
recibió el premio Nobel de economía,
junto a Tjalling Koopmans, en 1975, como
reconocimiento a sus aportaciones a la
teoría de la asignación óptima de recursos,
usando precisamente programación lineal.
La
optimización
matemática
tiene
importantes aplicaciones científicas, tales
como el manejo eficiente de la transmisión
de energía eléctrica, análisis de contingencia
y prevención de apagones en sistemas
eléctricos, diseño de redes de distribución
de agua, recarga operativa de reactores
nucleares y la minimización del impacto
ambiental de plantas industriales, entre otros.
Por otro lado, la optimización también ha sido
aplicada ampliamente para resolver diversos
problemas de ingeniería de procesos,
aunque su aplicación se extiende a muchas
otras áreas, como la física, la computación, la
economía, etcétera. La principal razón de esto
es que en esos problemas hay comúnmente
muchas alternativas de solución, y por lo
tanto, no es tan fácil encontrar la solución
óptima. Además, la aplicación de la solución
óptima en un proceso se traduce en ahorros
y beneficios económicos, por lo que la
optimización de procesos es de gran interés
para el sector industrial. Es por esto que,
a través de los años, se ha pasado de una
No. 25 Julio - Septiembre 2013
metodología de interés académico a una
tecnología que ha teniendo un impacto
significativo en la industria.
Los problemas de optimización pueden
clasificarse primeramente en términos de
variables continuas o variables discretas.
La mayor parte de los problemas
de optimización de variable continua
incluyen a la programación lineal (PL)
y a la programación no lineal (PNL).
Una importante subclase de PL es la
programación
complementaria
lineal
(PCL), mientras que la PNL incluye a
la programación cuadrática (PC) y a la
programación semidefinida (PS). Para el
caso de la PNL, una distinción importante
es también si el problema es convexo o no
convexo, debido a que en este último caso
la solución puede incluir múltiples óptimos
locales. Otra importante distinción es si el
problema es asumido a ser diferenciable o
no. Los problemas discretos son clasificados
en programación lineal mezclada con
enteros (PLME) y programación no lineal
mezclada con enteros (PNLME).
Un caso particular importante de la PLME
es cuando todas las variables son enteras, lo
cual nos lleva a la programación entera (PE).
Un ejemplo típico de este tipo de problemas
es el del vendedor viajero (importante en
investigación de operaciones y en ciencias
de la computación), enunciado como:
dado una lista de ciudades y las distancias
entre cada par de ellas, ¿Cuál es la ruta
más corta posible para visitar cada ciudad
exactamente una vez y regresar a la ciudad
de origen? Este fue formulado en 1930 y
es uno de más intensamente estudiados.
En la actualidad existen muchos métodos
exactos para resolverlo en casos de hasta
decenas de miles de ciudades.
En cuanto a las áreas específicas dentro
de la ingeniería de procesos, los de diseño
tienden a plantearse como problemas
PNL y PNLME, mientras que los de
programación y planificación de actividades
tienden a plantearse como PL y PLME. La
razón de esto es que los de diseño tienden
http://sitios.iingen.unam.mx/LIPATA
a depender en mayor medida de las
predicciones que hacen los modelos de
los procesos, que son generalmente no
lineales, mientras que en la programación
y la planificación de actividades las
predicciones físicas tienden a ser menos
importantes, puesto que la mayoría de
las operaciones se describen a través
de requisitos y actividades a lo largo del
tiempo.
Actualmente ya no se ve al agua
residual como un residuo, ahora se le
utiliza como un insumo por lo que en
la Unidad Académica Juriquilla (UAJ) del
Instituto de Ingeniería (II) de la UNAM se
diseñan procesos biotecnológicos para el
tratamiento de aguas residuales mediante
procesos de digestión anaerobia para
producir vectores energéticos (metano e
hidrógeno), mediante celdas de electrólisis
microbiana para producir hidrógeno,
o a través de celdas de combustible
microbianas producir electricidad. Una
vez que el proceso biotecnológico ha
sido desarrollado, sus condiciones de
operación tienen que ser optimizadas para
alcanzar un desempeño adecuado. Es
en este punto donde aplicamos diversas
técnicas de optimización.
Una manera de producir biológicamente
hidrógeno (biohidrógeno) usando (micro)
organismos es a través de un reactor
de fermentación. La productividad
del hidrógeno producido depende de la
velocidad de carga orgánica (VCO). La VCO
depende, a su vez, de la concentración y de
la velocidad del flujo de sustrato a la entrada
del reactor. La productividad del proceso
(función objetivo) puede ser maximizada,
resolviendo un problema de optimización
PNL en tiempo real, en el cual se optimiza
la velocidad de flujo a la entrada del reactor.
Por otro lado, la concentración del sustrato
a la entrada del reactor es vista como una
perturbación del proceso. Para resolver el
problema de optimización necesitamos
conocer el valor de esta concentración.
Medirla en línea es poco práctico, por lo
que se utilizan estrategias de observación
para estimar su valor en tiempo real. Para
diseñar el observador que nos permita
estimar la concentración del sustrato a la
entrada del reactor resolvemos un problema
de optimización PS, sujeto a condiciones
de estabilidad en forma de desigualdades
matriciales lineales (DML), para minimizar el
error de estimación del observador.
Como puede verse, en todos lados
encontramos problemas de optimización,
y aunque los más simples los podemos
resolver con nuestra intuición y experiencia,
los problemas relacionados con procesos
complejos, que involucran posiblemente
muchas variables de optimización, requieren
la aplicación de una matemática rigurosa
para su planteamiento y solución.
Figura
1.
Reactor
productor de hidrógeno
optimizado resolviendo
un
problema
PNL
en tiempo real para
maximizar la producción
de hidrógeno.
17
Delicias y amargores de la
resonancia funcional
Luis Concha
Cuando llevamos a cabo una tarea
específica (motora, sensitiva o cognitiva),
las zonas del cerebro que participan en
su ejecución realizan un mayor trabajo y,
consecuentemente, requieren un mayor
aporte de sangre oxigenada. En la década
de los noventa apareció el primer artículo
que mostró que el nivel de oxigenación
de la hemoglobina modula la señal que se
registra por medio de resonancia magnética
(RM). Este descubrimiento pronto se
convirtió en la piedra angular de una de las
técnicas más adecuadas para estudiar el
funcionamiento del cerebro humano vivo.
La técnica es ideal porque no es necesario
abrir el cráneo o realizar procedimientos
invasivos; no se utiliza radiación ionizante
que pueda producir problemas como
mutaciones genéticas; tiene una resolución
espacial decente (del orden de 0.5-4 mm);
y todo se realiza utilizando resonadores
magnéticos ya disponibles a nivel comercial.
Actualmente, existen miles de artículos en
18
los que se utiliza la técnica para investigar
funciones cerebrales específicas que van
desde la función normal de la corteza
visual o auditiva, hasta la manera en que
el cerebro percibe y procesa información
compleja, como los sentimientos y los
sueños.
Para encontrar las regiones cerebrales
que se modulan por una tarea específica,
el experimento simplemente consiste en
comparar si la señal obtenida es mayor
durante un periodo de actividad, que
durante un periodo de reposo; la hipótesis
de que sí hay cambio, se prueba con
métodos estadísticos. El reto es que
el experimento se debe repetir miles
de veces: una vez por cada pixel en la
imagen del cerebro. Un pixel es la unidad
fundamental de una imagen, un pequeño
cuadro que contiene un solo nivel de gris o
color. Habitualmente los datos se obtienen
de manera simultánea en todo el cerebro,
por lo que el tiempo no es un factor que
nos preocupe, pero sí hay un factor que se
oculta en el proceso estadístico: la posibilidad
de los llamados “falsos positivos”. Bennett y
colaboradores presentaron en el 2009, en
el congreso internacional de mapeo cerebral
humano (Human Brain Mapping), un póster
que mostró las debilidades de los métodos
estadísticos utilizados en aquel entonces. El
trabajo mostraba claramente actividad en
áreas específicas del cerebro del salmón
atlántico ante la visión de fotografías de sus
depredadores naturales. Este resultado sería
medianamente interesante si no fuera por
un detalle: el salmón utilizado en el estudio
estaba muerto. La broma implícita contenía
una gran verdad y destacaba los riesgos
potenciales de la interpretación de datos
estadísticos en cantidades industriales.
Los autores posteriormente publicaron un
artículo en el Journal of Serendipitous and
Unexpected Results (sic), y se hicieron
acreedores de un premio Ig Nobel.
No. 25 Julio - Septiembre 2013
Formalmente, la probabilidad de cometer
un error estadístico tipo I (falso positivo),
aumenta en función del número de
pruebas independientes a realizar. Esta
frase tan árida se representa en forma
divertida en un cómic de xkcd (http://
www.xkcd.com/882/). En otras palabras: si
se tiene solamente el 95% de seguridad
de algo y se repite el evento cien veces,
cometeremos cinco errores. Multiplicando
por el número de pixeles en una imagen
de RM, resulta factible que aparezcan
cientos, e incluso miles, de falsos positivos
que algún investigador despistado podría
interpretar biológicamente. No sólo a raíz
del trabajo de Bennett, pero sí fuertemente
influenciado por él, ahora se cuenta con
herramientas estadísticas que controlan la
apariencia de falsos positivos. El más estricto
es la clásica corrección de Bonferroni,
que divide nuestro nivel de confianza
entre el número de pruebas. El método
es innecesariamente estricto, ya que está
diseñado para muestras independientes,
y dos pixeles vecinos, por definición, no
lo son. El más utilizado actualmente es la
teoría de campos aleatorios, desarrollada
por Worsley a finales de los noventas. Parte
de una premisa: si los errores estadísticos
son aleatorios, deberían ocurrir también de
forma aleatoria en el espacio (en cualquier
lugar de la imagen); la probabilidad de que
muchos errores estadísticos se aglutinen
en racimos es mínima. En la actualidad
sería impensable publicar resultados de
RM sin utilizar algún método de corrección
de falsos positivos. Satisfechos de haber
burlado uno de los principales problemas
en el análisis de RM, nos queda uno aún
más importante: el diseño experimental.
En efecto, una vez agotado el estudio de
las cortezas primarias, que responden de
manera particularmente preferente a un
solo tipo de estímulo y prácticamente nada
a cualquiera otro, el estudio del cerebro
se complica. Por ejemplo, es muy sencillo
diseñar un paradigma de estimulación
visual: 30 segundos observando un patrón
de ajedrez que cambia de contraste cada
500 milisegundos, seguido de 30 segundos
de obscuridad, todo esto repetido unas
www.inb.unam.mx
cuatro veces. Evidentemente, la corteza
visual deberá activarse sustancialmente.
Pero, ¿cómo diseñar un paradigma en
el que se busque aislar las áreas de
corteza involucradas en las ideas, las
emociones, la aritmética, el placer o el
disgusto? No es tarea imposible, pero
tampoco trivial. Deben considerarse todas
las variables que esconde el fenómeno
a estudiar, y balancear todas, excepto la
de interés. Por ejemplo, si el objeto de
estudio es el proceso mental detrás de la
aritmética, pueden presentarse pantallas
donde aparezcan dos números a restar
mentalmente, pero debe balancearse
con otra pantalla en la que aparezcan
dos símbolos con características visuales
similares a los dígitos, y no una pantalla
negra. Así, el diseño del paradigma
se convierte en la parte más difícil del
proyecto de investigación.
En el Instituto de Neurobiología estudiamos
mediante
RM
funcional
diversas
condiciones normales y patológicas del
cerebro humano. Por ejemplo, en el
Laboratorio de Conectividad Cerebral
estudiamos el deterioro progresivo de
la memoria de trabajo que presentan
pacientes con epilepsia del lóbulo
temporal, con el propósito de encontrar
patrones de actividad neuronal que nos
permitan identificar a aquellos pacientes
que tienen un mayor riesgo de presentar
tal déficit en el futuro. La misma técnica
también es utilizada para identificar patrones
de actividad de la corteza auditiva para
entender cómo el cerebro humano sano
interpreta estímulos acústicos complejos,
tales como la música o el lenguaje.
Como toda herramienta, la resonancia
funcional tiene sus ventajas y desventajas.
Su inocuidad, facilidad y velocidad la hacen
sumamente útil para estudiar el cerebro
tanto sano como enfermo. Sin embargo,
para realizar interpretaciones juiciosas, el
investigador debe siempre tener muy en
cuenta el funcionamiento y limitaciones
de la técnica. Recientemente ha ocurrido
una transición gradual abandonando,
hasta cierto punto, la identificación de
aéreas relacionadas a tareas específicas y
orientándose al análisis de coherencia de
señales a lo largo del tiempo para identificar
circuitos cerebrales complejos. Las técnicas
de adquisición de imagen, así como las de su
análisis estadístico, continúan progresando,
por lo que se puede prever un emocionante
futuro para la resonancia funcional y la
investigación del cerebro humano en general.
Imagen cortesía de la M. en C. Arafat Angulo Perkins, estudiante de Doctorado en el Laboratorio de Conectividad Cerebral. En color
se muestran aquellas regiones que se activan preferencialmente ante estímulos musicales (pruebas estadísticas corregidas mediante
la teoría de campos aleatorios).
19